RU2738462C1

RU2738462C1 - Device and method for elimination of optical discharge instabilities

Info

Publication number: RU2738462C1
Application number: RU2020118937A
Authority: RU
Inventors: Николай Германович Соловьев; Андрей Николаевич Шемякин; Михаил Юрьевич Якимов
Priority date: 2020-06-08
Filing date: 2020-06-08
Publication date: 2020-12-14

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to devices and a method of elimination of optical discharge instabilities for stabilization of broadband optical radiation with high spectral brightness and is of interest for applications in microelectronics, spectroscopy, photochemistry and other fields. Device for elimination of instabilities of optical discharge consists of discharge chamber, transparent for input laser radiation and output optical radiation, filled with gas mixture, one or more lasers located outside the discharge chamber, the radiation of which is focused near the center of the discharge chamber, differing by the fact that the internal volume of the discharge chamber is tightly connected to an external reservoir, which is a Helmholtz resonator.

EFFECT: elimination of oscillation instability of optical discharge and improvement of its spatial stability due to modulation of laser radiation supporting optical discharge with frequency corresponding to resonant acoustic frequency of Helmholtz resonator.

2 cl, 3 dwg

Description

Заявляемое техническое решение относится к устройствам и способу устранения неустойчивостей оптического разряда, используемого в качестве источника широкополосного оптического излучения с высокой спектральной яркостью, и представляет интерес для приложений в микроэлектронике, спектроскопии, фотохимии и других областях.The claimed technical solution relates to devices and a method for eliminating instabilities of an optical discharge used as a source of broadband optical radiation with high spectral brightness, and is of interest for applications in microelectronics, spectroscopy, photochemistry and other fields.

Оптический разряд в газе, поддерживаемый сфокусированным лазерным излучением, является одним из самых ярких источников непрерывного оптического излучения в широкой области спектра. Температура плазмы в оптическом разряде существенно выше, чем в других – 15000-20000 К, тогда как в дуговом обычно 7000-8000 К, в ВЧ разряде – 9000-10000 К. [1] ([1] Генералов Н.А., Зимаков В.П. И др. «Непрерывно горящий оптический разряд». Письма в ЖЭТФ, 1970, т. 11, с. 447-449).An optical discharge in a gas, supported by focused laser radiation, is one of the brightest sources of continuous optical radiation in a wide spectral region. Plasma temperature in an optical discharge is significantly higher than in others - 15000-20000 K, while in an arc usually 7000-8000 K, in an HF discharge - 9000-10000 K. [1] ([1] Generalov N.A., Zimakov VP et al. “Continuously burning optical discharge.” Letters to ZhETF, 1970, v. 11, pp. 447-449).

Источники широкополосного излучения на базе такого оптического разряда выпускает, например, компания Energetiq Technology, Inc. (США), они подробно описаны на сайте этой компании [2]. ([2] https://www.energetiq.com/ldls-laser-driven-light-source-products-energetiq).Sources of broadband radiation based on such an optical discharge are produced, for example, by Energetiq Technology, Inc. (USA), they are described in detail on the website of this company [2]. ([2] https://www.energetiq.com/ldls-laser-driven-light-source-products-energetiq).

Малые геометрические размеры лазерной плазмы, составляющие доли миллиметра, наряду с ее высокой температурой препятствуют достижению необходимой во многих случаях стабильности выходных характеристик широкополосного источника света. Главным образом, это связано с влиянием колебаний конвективных потоков газа в камере на область излучающей плазмы и соответственно на энергетическую и пространственную стабильность источника света с лазерной накачкой.The small geometric dimensions of the laser plasma, which are fractions of a millimeter, along with its high temperature, impede the attainment of the stability of the output characteristics of a broadband light source, which is required in many cases. This is mainly due to the influence of oscillations of the convective gas flows in the chamber on the region of the emitting plasma and, accordingly, on the energy and spatial stability of the laser-pumped light source.

Известен способ устранения неустойчивостей оптического разряда, принятый за аналог, описанный в [3]. ([3] А. Барановский, З. Муха, 3. Перадзыньский (Польша) «Неустойчивость непрерывного оптического разряда в газах». Успехи механики, 1978, том 1, выпуск 3/4, с. 125-147). Авторы предположили, что колебания генерируются снизу оптического разряда, то есть между плазмой и нижним фронтом температуры нагреваемого оптическим разрядом газа. Для подавления колебаний оптического разряда вблизи нижнего градиентного слоя по оси симметрии вводилась вершина твердого конуса. Приближение к оптическому разряду вызывает нагрев конуса, а также нагрев обтекающего его вверх газа. Это вызывало полное исчезновение колебаний во всем потоке. Необходимая температура конуса для подавления колебаний составляла 500-800 градусов Кельвина. Вне оси симметрии это явление не обнаруживается. Второй способ подавления колебаний, предложенный в этом же источнике, состоит в размещении снизу оптического разряда сетки из вольфрамовой проволоки, по которой пропускался электрический ток для нагрева восходящего потока газа до нескольких сот градусов Цельсия. Оба способа, как конус, так и вольфрамовая сетка, позволяют устранять колебательные неустойчивости оптического разряда.A known method for eliminating instabilities of an optical discharge, taken as an analogue described in [3]. ([3] A. Baranovsky, Z. Mucha, 3. Peradzynsky (Poland) “Instability of a continuous optical discharge in gases.” Uspekhi mekhaniki, 1978, volume 1, issue 3/4, pp. 125-147). The authors assumed that the oscillations are generated from below the optical discharge, that is, between the plasma and the lower front of the temperature of the gas heated by the optical discharge. To suppress the oscillations of the optical discharge near the lower gradient layer, the apex of a solid cone was introduced along the symmetry axis. The approach to the optical discharge causes heating of the cone, as well as heating of the gas flowing around it. This caused the complete disappearance of vibrations in the entire flow. The required cone temperature to suppress oscillations was 500-800 Kelvin. This phenomenon is not detected outside the axis of symmetry. The second method of suppressing oscillations, proposed in the same source, consists in placing a grid of tungsten wire below the optical discharge, through which an electric current was passed to heat the ascending gas flow to several hundred degrees Celsius. Both methods, both the cone and the tungsten grid, can eliminate the vibrational instabilities of the optical discharge.

Недостатком введения конуса снизу оптического разряда для устранения неустойчивостей при помощи его разогрева является сильный нагрев вершины конуса вблизи высокотемпературного (15-20 тыс. градусов) оптического разряда, что может вызвать плавление и распыление материала конуса тем самым приводя к изменению характеристик оптического разряда.The disadvantage of introducing a cone from the bottom of the optical discharge to eliminate instabilities by heating it is a strong heating of the top of the cone near a high-temperature (15-20 thousand degrees) optical discharge, which can cause melting and sputtering of the cone material, thereby leading to a change in the characteristics of the optical discharge.

Недостатком размещения снизу оптического разряда сетки из вольфрамовой проволоки, по которой пропускался электрический ток, является усложнение конструкции, а также дополнительный разогрев разрядного объема, что может потребовать использования внешнего охлаждения.The disadvantage of placing a grid of tungsten wire, through which an electric current was passed, from the bottom of the optical discharge, is the complication of the design, as well as additional heating of the discharge volume, which may require the use of external cooling.

Недостатком размещения как конуса, так и вольфрамовой сетки снизу оптического разряда является также невозможность использовать часто применяемый способ подачи лазерного излучения снизу вверх по геометрической оси оптического разряда с целью минимизации оптических искажений.The disadvantage of placing both the cone and the tungsten grid below the optical discharge is also the impossibility of using the often used method of supplying laser radiation from the bottom up along the geometric axis of the optical discharge in order to minimize optical distortions.

Известен способ устранения неустойчивостей оптического разряда, принятый за аналог, приведенный в [4]. ([4] Патент US2018043610 Pub. Date: 31.01.2019 LASER SUSTAINED PLASMA LIGHT SOURCE WITH FORCED FLOW THROUGH NATURAL CONVECTION). В известном патенте приведено устройство, содержащее плазменную камеру, выполненную с возможностью приема лазерного излучения от источника накачки для поддержания плазмы в газе, один или несколько контуров рециркуляции газа, гидравлически связанных с плазменной камерой, причем первая часть одного или нескольких контуров рециркуляции газа гидравлически связана с выходным отверстием плазменной камеры и сконфигурирована для транспортировки по меньшей мере либо плазмы, либо нагретого газа от выхода плазменной камеры, при этом вторая часть одного или нескольких контуров рециркуляции газа гидравлически связана со входом плазменной камеры и сконфигурирована для подачи охлажденного газа на вход плазменной камеры. В вариантах изобретения используются один или несколько дополнительных источников тепла, причем один или несколько дополнительных источников тепла выполнены с возможностью, по меньшей мере, частичного запуска рециркуляции газа через один или несколько контуров рециркуляции газа, при этом могут использоваться один или несколько насосов, теплообменник. В известном патенте также приведен и способ, включающий: направление лазерного излучения в плазменную камеру для поддержания плазмы в газе, протекающем через плазменную камеру, при этом плазма излучает широкополосное излучение, причем рециркуляция газа через плазменную камеру осуществляется через газовый контур рециркуляции газа, при этом рециркуляция газа через плазменную камеру содержит: транспортировку по меньшей мере либо плазмы, либо нагретого газа из плазменной камеры в теплообменник; охлаждение по меньшей мере либо плазмы, либо нагретого газа теплообменником; а также транспортировку охлажденного газа из теплообменника в плазменную камеру. Стабильный поток газа через камеру устраняет неустойчивости газа в окрестностях оптического разряда.A known method for eliminating instabilities of an optical discharge, taken as an analogue given in [4]. ([4] Patent US2018043610 Pub. Date: 31.01.2019 LASER SUSTAINED PLASMA LIGHT SOURCE WITH FORCED FLOW THROUGH NATURAL CONVECTION). The known patent shows a device containing a plasma chamber configured to receive laser radiation from a pumping source to maintain plasma in a gas, one or more gas recirculation circuits hydraulically connected to the plasma chamber, the first part of one or more gas recirculation circuits being hydraulically connected to the outlet of the plasma chamber and configured to transport at least either plasma or heated gas from the outlet of the plasma chamber, wherein the second part of one or more gas recirculation loops is hydraulically connected to the inlet of the plasma chamber and configured to supply cooled gas to the inlet of the plasma chamber. In embodiments of the invention, one or more additional heat sources are used, wherein one or more additional heat sources are configured to at least partially start gas recirculation through one or more gas recirculation loops, and one or more pumps and a heat exchanger can be used. The known patent also discloses a method including: directing laser radiation into a plasma chamber to maintain the plasma in a gas flowing through the plasma chamber, while the plasma emits broadband radiation, and the gas is recirculated through the plasma chamber through the gas recirculation loop, while the recirculation gas through the plasma chamber comprises: transporting at least either plasma or heated gas from the plasma chamber to a heat exchanger; cooling at least either the plasma or the heated gas by a heat exchanger; as well as transportation of cooled gas from the heat exchanger to the plasma chamber. Stable gas flow through the chamber eliminates gas instabilities in the vicinity of the optical discharge.

Недостатком известных устройства и способа устранения неустойчивостей является необходимость присоединения на входе и выходе разрядной камеры одного или нескольких контуров рециркуляции газа, а также возможное размещение в них теплообменников, насосов, фильтров и других элементов, что приводит к усложнению конструкции и увеличению габаритных размеров.The disadvantage of the known device and method for eliminating instabilities is the need to connect one or more gas recirculation circuits at the inlet and outlet of the discharge chamber, as well as the possible placement of heat exchangers, pumps, filters and other elements in them, which leads to a complication of the design and an increase in overall dimensions.

Известен способ устранения неустойчивостей оптического разряда, принятый за прототип, приведенный в [5]. ([5] Патент US20130342105 Pub. Date: Dec. 26, 2013 LASER SUSTAINED PLASMA LIGHT SOURCE WITH ELECTRICALLY INDUCED GAS FLOW). В известном патенте источник света с поддержанием плазмы лазерным излучением включает в себя плазменную лампу, содержащую поток рабочего газа, приводимый в движение электрическим током, поддерживаемым внутри плазменной лампы. В рабочий газ плазменной лампы вводятся заряженные частицы. Расположение электродов, поддерживаемых при разных уровнях напряжения, приводит к движению заряженных частиц через рабочий газ. Движение заряженных частиц в свою очередь приводит к тому, что рабочий газ течет в направлении движения заряженных частиц за счет эффекта увлечения. В вариантах изобретения поток создается за счет нагрева электрической дугой газа, расположенного ниже плазменного источника излучения. Результирующий поток рабочего газа усиливает конвекцию вокруг плазмы и увеличивает взаимодействие лазерного излучения с плазмой. Поток рабочего газа в плазменных лампах может быть стабилизирован и управляться регулировкой напряжений, присутствующих на каждом из электродов. Стабильный поток рабочего газа через плазму способствует более стабильной форме и положению плазмы внутри лампы. Известный способ позволяет устранять колебательные неустойчивости в оптическом разряде.A known method for eliminating instabilities of an optical discharge, taken as a prototype given in [5]. ([5] Patent US20130342105 Pub. Date: Dec. 26, 2013 LASER SUSTAINED PLASMA LIGHT SOURCE WITH ELECTRICALLY INDUCED GAS FLOW). In a prior art patent, a laser-supported plasma light source includes a plasma lamp containing a working gas flow driven by an electric current maintained within the plasma lamp. Charged particles are introduced into the working gas of the plasma lamp. The arrangement of the electrodes, maintained at different voltage levels, causes charged particles to move through the working gas. The movement of charged particles, in turn, leads to the fact that the working gas flows in the direction of movement of charged particles due to the drag effect. In embodiments of the invention, the flow is created by heating the gas located below the plasma radiation source with an electric arc. The resulting flow of working gas enhances convection around the plasma and increases the interaction of laser radiation with plasma. The working gas flow in plasma lamps can be stabilized and controlled by adjusting the voltages present at each of the electrodes. A stable flow of working gas through the plasma contributes to a more stable shape and position of the plasma inside the lamp. The known method makes it possible to eliminate oscillatory instabilities in an optical discharge.

Недостатком известного способа устранения неустойчивостей является необходимость размещения внутри объема лампы дополнительных электродов (в вариантах патента размещение дополнительных электродов снаружи лампы), дополнительного источника различных напряжений для электродов, что приводит к усложнению конструкции и увеличению габаритных размеров плазменной лампы.The disadvantage of the known method for eliminating instabilities is the need to place additional electrodes inside the volume of the lamp (in the variants of the patent, the placement of additional electrodes outside the lamp), an additional source of various voltages for the electrodes, which leads to a more complex design and an increase in the overall dimensions of the plasma lamp.

Недостатком также является необходимость введения в рабочий газ лампы заряженных частиц, например, электронной эмиссией, коронным разрядом, фотоэмиссией, термоэлектронной эмиссией или нагревом электрода электрической дугой. Все это усложняет конструкцию лампы, а также уменьшает суммарный КПД источника света за счет поглощения выходного излучения дополнительными элементами (электроды, источники заряженных частиц, подводящие провода).The disadvantage is also the need to introduce charged particles into the working gas of the lamp, for example, by electron emission, corona discharge, photoemission, thermionic emission or heating the electrode with an electric arc. All this complicates the design of the lamp, and also reduces the total efficiency of the light source due to the absorption of the output radiation by additional elements (electrodes, sources of charged particles, supply wires).

Заявляемые устройство и способ устранения неустойчивостей оптического разряда направлены на улучшение его характеристик, а именно на устранение колебательной неустойчивости оптического разряда и улучшение его пространственной стабильности.The claimed device and method for eliminating instabilities of an optical discharge are aimed at improving its characteristics, namely, at eliminating the vibrational instability of an optical discharge and improving its spatial stability.

Указанный результат достигается тем, что устройство устранения неустойчивостей оптического разряда, состоит из разрядной камеры, прозрачной для входного лазерного излучения и выходного оптического излучения, заполненной газовой смесью, одного или нескольких лазеров, расположенных снаружи разрядной камеры, излучение которых сфокусировано вблизи центра разрядной камеры, причем внутренний объем разрядной камеры герметично соединен с внешним резервуаром, представляющим собой резонатор Гельмгольца.This result is achieved by the fact that the device for eliminating instabilities of the optical discharge consists of a discharge chamber transparent for the input laser radiation and output optical radiation, filled with a gas mixture, one or several lasers located outside the discharge chamber, the radiation of which is focused near the center of the discharge chamber, and the internal volume of the discharge chamber is hermetically connected to the external reservoir, which is a Helmholtz resonator.

Указанный результат также достигается тем, что в способе устранения неустойчивостей оптического разряда, расположенного в разрядной камере, при котором первоначальный поджиг плазмы осуществляют внешним импульсным лазером, либо кратковременным увеличением мощности одного или нескольких из используемых для оптического разряда лазеров, либо применением двух штыревых электродов, расположенных вблизи оптического разряда, между которыми прикладывают импульс пробойного напряжения, излучение по крайней мере одного из используемых лазеров модулируют синусоидальным сигналом с частотой, соответствующей резонансной акустической частоте резонатора Гельмгольца.This result is also achieved by the fact that in a method for eliminating instabilities of an optical discharge located in a discharge chamber, in which the initial plasma is ignited by an external pulsed laser, either by a short-term increase in the power of one or more of the lasers used for the optical discharge, or by using two pin electrodes located near the optical discharge, between which a breakdown voltage pulse is applied, the radiation of at least one of the lasers used is modulated with a sinusoidal signal with a frequency corresponding to the resonant acoustic frequency of the Helmholtz resonator.

Сущность заявляемого изобретения поясняется примерами его реализации и чертежами.The essence of the claimed invention is illustrated by examples of its implementation and drawings.

На фиг. 1 представлено схематичное изображение заявляемого устройства.FIG. 1 shows a schematic representation of the claimed device.

На фиг. 2 изображены последовательные по времени теневые фотографии оптического разряда для пояснения возникновения колебательной неустойчивости.FIG. 2 shows sequential shadow photographs of the optical discharge to explain the occurrence of vibrational instability.

На фиг. 3 изображена теневая фотография возможного применения заявляемого изобретения.FIG. 3 shows a shadow photograph of a possible application of the claimed invention.

Устройство устранения неустойчивостей оптического разряда состоит из прозрачной герметичной камеры 1, заполненной газовой смесью, способной пропускать как лазерное излучение для поджига и поддержания плазмы оптического разряда, так и широкополосное выходное излучение самого оптического разряда. При этом внутренний объем разрядной камеры 1 герметично соединен с внешним резервуаром 2, представляющим собой резонатор Гельмгольца. Оптический разряд 3 располагается преимущественно в центре камеры 1 для обеспечения минимальных оптических искажений. Его положение определяется местом фокусировки лазерного излучения. На фиг. 1 в качестве примера схематично показаны два лазера, лазер 4 и лазер 5, излучение 6 которых фокусируется в центре оптического разряда 3 линзами 7. К лазеру 5 подключен модулирующий блок 8, позволяющий модулировать мощность излучения лазера 5 синусоидальным сигналом требуемой частоты и амплитуды. Подобные модулирующему блоку 8 устройства известны из уровня техники и могут представлять собой, например, электронный прибор, управляющий током накачки полупроводникового или газового лазера, или прибор, позволяющий оптическими методами модулировать лазерное излучение на выходе лазера. Могут использоваться один и более лазеров, могут применяться лазеры различной мощности и диапазонов излучения. Но по крайней мере к одному из них должен быть подключен модулирующий блок 8.The device for eliminating instabilities of an optical discharge consists of a transparent sealed chamber 1 filled with a gas mixture capable of transmitting both laser radiation for igniting and maintaining the optical discharge plasma, and the broadband output radiation of the optical discharge itself. In this case, the internal volume of the discharge chamber 1 is hermetically connected to the external reservoir 2, which is a Helmholtz resonator. The optical discharge 3 is located mainly in the center of the chamber 1 to ensure minimum optical distortion. Its position is determined by the focusing point of the laser radiation. FIG. 1 as an example, two lasers are schematically shown, laser 4 and laser 5, the radiation 6 of which is focused in the center of the optical discharge 3 by lenses 7. A modulating unit 8 is connected to the laser 5, which allows modulating the radiation power of the laser 5 with a sinusoidal signal of the required frequency and amplitude. Devices like the modulating unit 8 are known from the prior art and can be, for example, an electronic device that controls the pumping current of a semiconductor or gas laser, or a device that allows optical modulation of laser radiation at the laser output. One or more lasers can be used; lasers of different power and radiation ranges can be used. But at least one of them must be connected to the modulating unit 8.

Изобретение работает следующим образом. Лазерное излучение от одного или нескольких лазеров (в данном случае показаны два лазера 4 и 5) фокусируется через прозрачные стенки разрядной камеры 1 в области ее центра, где предполагается зажечь оптический разряд 3. Для первоначального поджига оптического разряда подается либо импульс от внешнего лазера, вызывающий пробой газа внутри разрядной камеры 1, либо с той же целью кратковременно повышается мощность одного или нескольких лазеров, расположенных снаружи разрядной камеры 1, излучение которых сфокусировано в области оптического разряда 3 вблизи центра разрядной камеры, либо используются два штыревых электрода (на фиг. 1 не показаны), расположенные вблизи оптического разряда, между которыми прикладывается импульс пробойного напряжения. При этом образуется облако плазмы, интенсивно поглощающей лазерное излучение. Далее плазма поддерживается за счет поглощения поступающего лазерного излучения, образуя так называемый оптический разряд 3. Интенсивное выделение тепла оптическим разрядом 3 нагревает окружающую газовую смесь, образующую разогретый объем газа, увеличивающийся в размерах, и ограниченный фронтом температуры 9. Облако горячего газа, ограниченное фронтом температуры 9, поднимается вверх по закону Архимеда, но при этом возникают колебания, причина которых поясняется далее. Частота этих колебаний в стандартных для оптического разряда условиях составляет десятки герц и определяется сравнительно медленными тепловыми процессами, происходящими на разделе между горячим газом вокруг оптического разряда 3 и относительно холодным газом в остальном объеме разрядной камеры 1. Модулированное лазерное излучение от лазера 5 фокусируется в оптическом разряде 3 и модулирует тепловую мощность, поглощаемую оптическим разрядом 3 от лазеров 4 и 5, что сопровождается синхронным изменением размеров плазменного облака оптического разряда 3. Периодическое движение плазменного облака оптического разряда 3 способно генерировать акустические волны в разрядном объеме. При частоте повторения синусоидальных колебаний, совпадающей с резонансной частотой резонатора Гельмгольца 2, в нем возникают резонансные акустические колебания, определяемые по формулам, известным для резонатора Гельмгольца. В результате на входе в камеру 1 возникает так называемый акустический ветер, известный из уровня техники, описанный, например, в [6] ([6] Стретт, Дж. В. (Лорд Рэлей), Теория звука, 2 изд., т. 2, М., 1955, с. 212). Если направить акустический ветер в сторону оптического разряда 3, то образуется направленный поток газа, охлаждающий и стабилизирующий разогретый оптическим разрядом 3 газ, ограниченный фронтом температуры 9. Интенсивности акустического ветра, производимого резонатором Гельмгольца 2 при воздействии на него резонансной частоты, достаточно для того, чтобы ускорить движение газа вокруг оптического разряда 3 тем самым устраняя неустойчивости, вызванные колебаниями горячего газа.The invention works as follows. Laser radiation from one or several lasers (in this case, two lasers 4 and 5 are shown) are focused through the transparent walls of the discharge chamber 1 in the region of its center, where it is supposed to ignite the optical discharge 3. For the initial ignition of the optical discharge, either a pulse from an external laser is applied, causing gas breakdown inside the discharge chamber 1, or for the same purpose, the power of one or several lasers located outside the discharge chamber 1, whose radiation is focused in the region of the optical discharge 3 near the center of the discharge chamber, is briefly increased, or two pin electrodes are used (in Fig. 1, not shown), located near the optical discharge, between which a breakdown voltage pulse is applied. In this case, a plasma cloud is formed, intensely absorbing laser radiation. Further, the plasma is maintained by absorbing the incoming laser radiation, forming the so-called optical discharge 3. Intense heat release by the optical discharge 3 heats the surrounding gas mixture, which forms a heated gas volume that increases in size and is limited by the temperature front 9. A hot gas cloud limited by the temperature front 9, rises up according to the Archimedes law, but oscillations arise, the reason for which is explained below. The frequency of these oscillations under standard conditions for an optical discharge is tens of hertz and is determined by the relatively slow thermal processes occurring at the interface between the hot gas around the optical discharge 3 and the relatively cold gas in the rest of the volume of the discharge chamber 1. Modulated laser radiation from the laser 5 is focused in the optical discharge 3 and modulates the thermal power absorbed by the optical discharge 3 from lasers 4 and 5, which is accompanied by a synchronous change in the size of the plasma cloud of the optical discharge 3. The periodic motion of the plasma cloud of the optical discharge 3 is capable of generating acoustic waves in the discharge volume. When the repetition frequency of sinusoidal oscillations coincides with the resonant frequency of the Helmholtz resonator 2, resonant acoustic oscillations arise in it, determined by the formulas known for the Helmholtz resonator. As a result, a so-called acoustic wind arises at the entrance to chamber 1, known from the prior art, described, for example, in [6] ([6] Strett, JV (Lord Rayleigh), Theory of Sound, 2nd ed., Vol. 2, M., 1955, p. 212). If the acoustic wind is directed towards the optical discharge 3, then a directed gas flow is formed, cooling and stabilizing the gas heated by the optical discharge 3, limited by the temperature front 9. The intensity of the acoustic wind produced by the Helmholtz resonator 2 when exposed to the resonant frequency is sufficient to accelerate the movement of the gas around the optical discharge 3, thereby eliminating the instabilities caused by vibrations of the hot gas.

Вариант возможного осуществления изобретения приведен на фиг. 2 и фиг. 3. На фиг. 2 изображены последовательные по времени теневые фотографии оптического разряда в ксеноне при давлении около 20 бар (снимки сделаны авторами), поясняющие образование колебательных неустойчивостей. Сам оптический разряд 2 виден как яркое эллиптическое пятно в нижней части фотографий. Светлые линии вокруг него представляют собой градиент температуры между горячим газом вокруг оптического разряда 2 и более холодным объемом газа в остальной части разрядной камеры 1. Фото А на фиг. 2 показывает, что вокруг оптического разряда формируется объем нагретого газа, ограниченный снизу и с боков полусферическим пространством диаметром около 1,5 мм. На следующих фото Б и В видно, что облако нагретого газа увеличивается в размере приблизительно до 2 мм из-за нагрева газа оптическим разрядом. Фото Г показывает, что пузырь горячего газа начинает всплывать вверх согласно закону Архимеда. На фото А виден этот всплывающий пузырь уже выше оптического разряда, а на его месте возникает следующий объем горячего газа. Этот процесс повторяется циклически с частотой около 40 Гц, вызывая, таким образом, периодические колебания холодного и горячего газа вокруг оптического разряда. Так как коэффициент преломления оптического излучения зависит от плотности среды, то такие колебания приводят к отклонениям как лазерного излучения, поддерживающего оптический разряд, так и широкополосного излучения самого оптического разряда. Отклонение лазерного излучения, поддерживающего оптический разряд, приводит к смещению пространственного положения оптического разряда, а отклонение его выходного излучения ухудшает качество фокусировки и стабильность световых характеристик.An embodiment of the invention is shown in FIG. 2 and FIG. 3. In FIG. 2 shows sequential shadow photographs of an optical discharge in xenon at a pressure of about 20 bar (photographs taken by the authors), which explain the formation of vibrational instabilities. The optical discharge 2 itself is visible as a bright elliptical spot at the bottom of the photographs. The light lines around it represent the temperature gradient between the hot gas around the optical discharge 2 and the colder volume of gas in the rest of the discharge chamber 1. Photo A in FIG. 2 shows that a volume of heated gas is formed around the optical discharge, limited from below and from the sides by a hemispherical space with a diameter of about 1.5 mm. The next photos B and C show that the heated gas cloud grows in size up to about 2 mm due to the heating of the gas by the optical discharge. Photo D shows that a bubble of hot gas begins to float upwards according to Archimedes' law. Photo A shows this floating bubble already above the optical discharge, and in its place the next volume of hot gas appears. This process is repeated cyclically with a frequency of about 40 Hz, thus causing periodic oscillations of cold and hot gas around the optical discharge. Since the refractive index of optical radiation depends on the density of the medium, such oscillations lead to deviations of both the laser radiation supporting the optical discharge and the broadband radiation of the optical discharge itself. The deflection of the laser radiation supporting the optical discharge leads to a shift in the spatial position of the optical discharge, and the deflection of its output radiation deteriorates the focusing quality and the stability of the light characteristics.

На фиг. 3 изображены теневые фотографии возможного применения заявляемого изобретения (снимок сделан авторами). Оптический разряд 3 виден в форме яркого эллипса в нижней части рисунка. Также на фотографиях видны два электрода, служащие для первоначального зажигания оптического разряда. Область разогретого газа видна на теневых фотографиях в виде темного облака, окружающего оптический разряд. На левой фотографии в ее верхней части виден уже сформировавшийся пузырь разогретого оптическим разрядом газа, всплывающий вверх. Процесс колебаний аналогичен изображенному на фиг. 2. На правой фотографии показано возможное применение изобретения. Акустический ветер, формируемый на выходе резонатора Гельмгольца (на фотографии не показан), образованный за счет модуляции мощности излучения одного из двух полупроводниковых лазеров частотой, соответствующей резонансной акустической частоте резонатора Гельмгольца, изменяет направление теплового факела, увеличивает скорость газа вокруг него и устраняет колебательную неустойчивость оптического разряда. Показанная на этой фотографии картинка остается стабильной во времени, что свидетельствует об устранении неустойчивостей и стабилизации оптического разряда. Фотографии сделаны при заполнении разрядной камеры ксеноном при давлении 20 бар. Реальный размер кадров, изображенных на фотографиях, 4х4 мм. Резонансная частота резонатора Гельмгольца определяется его параметрами и выбирается обычно значительно выше частоты колебаний облака горячего газа вокруг оптического разряда 3 для устранения возможных биений частот и раскачки колебаний облака горячего газа.FIG. 3 shows shadow photographs of the possible application of the claimed invention (photo taken by the authors). Optical discharge 3 is visible in the form of a bright ellipse at the bottom of the figure. The photographs also show two electrodes that serve for the initial ignition of the optical discharge. The area of heated gas is visible in shadow photographs as a dark cloud surrounding the optical discharge. In the left photograph, in its upper part, an already formed bubble of gas heated by an optical discharge is visible, floating upwards. The oscillation process is similar to that shown in FIG. 2. The right photograph shows a possible application of the invention. The acoustic wind generated at the exit of the Helmholtz resonator (not shown in the photograph), formed by modulating the radiation power of one of the two semiconductor lasers with a frequency corresponding to the resonant acoustic frequency of the Helmholtz resonator, changes the direction of the thermal plume, increases the gas velocity around it, and eliminates the vibrational instability of the optical discharge. The picture shown in this photograph remains stable over time, which indicates the elimination of instabilities and the stabilization of the optical discharge. The photographs were taken when the discharge chamber was filled with xenon at a pressure of 20 bar. The actual size of the frames shown in the photographs is 4x4 mm. The resonant frequency of the Helmholtz resonator is determined by its parameters and is usually chosen significantly higher than the oscillation frequency of the hot gas cloud around the optical discharge 3 to eliminate possible frequency beatings and the buildup of oscillations of the hot gas cloud.

Экспериментальный способ определения частоты модуляции мощности лазерного излучения для устранения колебаний оптического разряда состоит в следующем. По известным из уровня техники формулам оценивается резонансная частота резонатора Гельмгольца при заданных условиях. Зажигается оптический разряд и производится модуляция лазерного излучения одного или нескольких лазеров, поддерживающих оптический разряд, с вычисленной резонансной частотой резонатора Гельмгольца. Проводится скоростная видеосъемка либо теневой картины области нагретого газа, либо самого оптического разряда, максимально точно устанавливается резонансная частота, подавляющая колебания либо теневой картины, либо формы и положения оптического разряда. Подбирается также амплитуда модуляции.An experimental method for determining the frequency of modulation of the power of laser radiation to eliminate oscillations of an optical discharge is as follows. The formulas known from the prior art are used to estimate the resonant frequency of the Helmholtz resonator under given conditions. An optical discharge is ignited and the laser radiation of one or more lasers supporting the optical discharge is modulated with the calculated resonant frequency of the Helmholtz resonator. High-speed video recording of either the shadow picture of the heated gas region or the optical discharge itself is carried out, the resonant frequency is set as accurately as possible, suppressing the oscillations of either the shadow picture or the shape and position of the optical discharge. The modulation amplitude is also selected.

Характерная особенность заявляемого изобретения состоит в использовании резонатора Гельмгольца, обладающего высокой добротностью. При этом можно значительно снизить глубину модуляции лазерного излучения при резонансной частоте, что желательно в некоторых применениях оптического разряда, например, при спектральных измерениях с цифровой обработкой сигнала.A characteristic feature of the claimed invention is the use of a Helmholtz resonator with a high Q factor. In this case, it is possible to significantly reduce the depth of modulation of laser radiation at the resonant frequency, which is desirable in some applications of optical discharge, for example, in spectral measurements with digital signal processing.

Claims

1. A device for eliminating instabilities of an optical discharge, consisting of a discharge chamber transparent to the input laser radiation and output optical radiation, filled with a gas mixture, one or more lasers located outside the discharge chamber, the radiation of which is focused near the center of the discharge chamber, characterized in that the inner the volume of the discharge chamber is hermetically connected to an external reservoir, which is a Helmholtz resonator.

2. A method for eliminating instabilities of an optical discharge located in a discharge chamber, in which the initial plasma is ignited by an external pulsed laser, or by a short-term increase in the power of one or more of the lasers used for an optical discharge, or by using two pin electrodes located near the optical discharge, between which a breakdown voltage pulse is applied, characterized in that the radiation of at least one of the lasers used is simulated by a sinusoidal signal with a frequency corresponding to the resonant acoustic frequency of the Helmholtz resonator, which is hermetically connected to the internal volume of the discharge chamber.